Changes in the metabolic profile of Guzmania monostachia (Bromeliaceae) resulting from drought stress and cultivation in nitrate as the sole nitrogen source

Durante o desenvolvimento das bromélias epífitas, em seu ambiente natural, elas podem ser expostas a vários estresses ambientais. Entre os tipos de estresses abióticos, o hídrico é um dos mais severos, podendo afetar principalmente as epífitas que normalmente não estão em contato direto com o solo. Ao longo da evolução, surgiram e foram selecionados mecanismos morfo-fisiológicos específicos que permitiram a essas plantas adaptarem-se e sobreviverem a eventos de escassez hídrica intermitentes. A bromélia Guzmania monostachia (L.) Rusby ex Mez. é uma planta epífita com tanque que possui facultatividade em relação à sua fotossíntese, podendo variar de C3 para CAM dependendo das condições ambientais. Além disso, suas folhas apresentam regiões com funcionalidades bem distintas: a porção apical tem funções mais relacionadas à fotossíntese enquanto a porção basal absorve nutrientes. Em estudos anteriores, foi averiguado que a fonte de N pode afetar a indução do CAM quando as plantas estão submetidas à escassez hídrica. Observou-se que a forma amoniacal aumentou a expressão do CAM, enquanto a nítrica reduziu. Em decorrência desse intrigante resultado de inibição do CAM pela nutrição com nitrato, surgiram novos questionamentos para a realização do presente estudo: qual seria o modo de ação do nitrato combinado à escassez hídrica sobre a fotossíntese CAM? Estaria a absorção de nitrato influenciando a absorção de outros nutrientes (p.ex., potássio) quando a planta está sujeita à limitação hídrica, fazendo com que houvesse mudanças no perfil metabólico e status hídrico das folhas? Foi descrito para algumas espécies que a absorção de nitrato pode estar associada com a de potássio, auxiliando o equilíbrio de cargas dentro da célula, também regulando a expressão de genes transportadores de K+. Logo, hipotetizamos no presente estudo que G. monostachia que recebessem maiores concentrações de NO3- no tanque teriam incrementos significativos de potássio endógeno. A absorção conjunta desses nutrientes permitiria o ajuste osmótico das plantas, acarretando a redução do potencial hídrico e favorecendo a absorção de água a partir do tanque ou sua manutenção no interior das células foliares. Assim, como consequência de um melhor status hídrico, mesmo após a aplicação de sete dias de escassez de água, haveria um atraso ou até mesmo inibição da passagem do metabolismo C3 para o CAM. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivos (1) caracterizar as mudanças no perfil metabólico e no status hídrico das folhas, comparando-se as porções apical e basal de plantas de G. monostachia que foram cultivadas na presença de nitrato previamente à aplicação do estresse hídrico; e (2) compreender o efeito do nitrato sobre a modulação do CAM nos ápices foliares. Para tanto, as plantas foram cultivas em câmara de crescimento com condições ambientais controladas sendo apenas regadas diariamente com água destilada nos tanques durante o período de aclimatação (30 dias). Após isso, as plantas receberam nitrato compreendendo dois tratamentos (0,05 ou 2,5mM de N total na forma de nitrato). Ao final de 30 dias, as bromélias foram submetidas à restrição hídrica durante sete dias, esvaziando-se seus tanques. Os resultados demonstraram que houve mudanças significativas no perfil metabólico das plantas cultivadas com 2,5mM de N total na forma de nitrato sob estresse hídrico, resultando em bases foliares com maior conteúdo relativo de água e maior acúmulo dos nutrientes K+ e Ca2+. Por outro lado, os ápices sob essa mesma condição apresentaram diminuição do seu potencial osmótico, menor conteúdo relativo de água e maior acúmulo de NH4. O estresse hídrico induziu também aumento significativo na concentração de malato e houve uma forte tendência de acúmulo noturno de ácidos orgânicos, principalmente nos ápices das folhas cultivadas na maior concentração de N, sugerindo que as folhas mudaram sua fotossíntese de C3 para CAM. A maior concentração oferecida de nitrato em restrição hídrica proporcionou um menor transporte de água da base foliar para o ápice, possivelmente pela maior lignificação e/ou suberização das paredes celulares (via apoplástica), diminuindo assim o potencial osmótico do ápice foliar. Ao mesmo tempo, a deficiência hídrica pode ter ativado o canal de membrana responsivo à seca (OSCA1), responsável pelo aumento da absorção de Ca2+ na base foliar. Uma maior quantidade de Ca2+ citosólico pode ter levado a uma regulação positiva do complexo protéico CBL/CIPK, aumentando assim a absorção de outros nutrientes, como o K+, por meio da indução de transportadores de alta afinidade desse nutriente (HAK5). O K+, por sua vez, pode ter funcionado como um osmólito, ajudando na retenção da água nos tecidos basais foliares. Assim, observamos nesta pesquisa que o status hídrico e o perfil metabólico de G. monostachia podem ser modulados pela absorção do nitrato, interferindo na passagem da fotossíntese C3 para CAM sob efeito da deficiência hídrica. Mudanças no perfil metabólico de Guzmania monostachia (Bromeliaceae) resultantes do estresse hídrico e cultivo em nitrato como fonte única de nitrogênioDuring the development of epiphytic bromeliads, they can be exposed to numerous environmental stresses. Among the abiotic stresses, water is one of the most severe, affecting mainly epiphytes because they are not in direct contact with the soil. Throughout evolution, specific morphophysiological mechanisms that allowed these plants to adapt and survive to intermittent water scarcity events emerged and were selected. The bromeliad Guzmania monostachia, for example, is an epiphytic plant with a tank that has facultative photosynthesis which can vary from C3 to CAM depending on the environmental conditions. Its leaves have regions with very different functions: while the apical portion is related to photosynthesis, the basal portion absorbs nutrients. In previous studies, it was found that the source of N can affect the induction of CAM when plants were under water scarcity. It was observed that the ammonium increased CAM expression, while nitrate reduced it. As a result of this intriguing CAM inhibition by nitrate, new questions arose for the conduction of this study: what would be the action of nitrate combined with water scarcity on CAM photosynthesis? Is nitrate uptake influencing the uptake of other nutrients (e.g., potassium) when the plant is water- limited, causing changes in the metabolic profile and water status of the leaves? It has been described for some species that nitrate uptake may be associated with potassium uptake, helping charge balance within the cell, also regulating the expression of K+ transporter genes. Therefore, we hypothesized in the present study that G. monostachia that received higher concentrations of NO3- would have significant increases in endogenous potassium. The joint absorption of these nutrients would allow the osmotic adjustment of the plants, reducing the water potential and favoring the absorption of water from the tank or its maintenance inside the leaf cells. As a consequence of better water status, there would be a delay or even inhibition of the CAM even after the application of seven days of water scarcity. In this context, the present work aimed to (1) characterize the changes in the metabolic profile and water status of G. monostachia leaves, comparing the apical and basal portions that were cultivated in the presence of nitrate before the application of water stress; and (2) evaluate the effect of nitrate on CAM modulation in leaf apexes. For that, the plants were cultivated in a growth chamber with controlled environmental conditions, being only watered daily with distilled water during the acclimation period (30 days). After that, the plants received two treatments of nitrate (0.05 or 2.5mM of total N). At the end of 30 days, the bromeliads were subjected to water restriction for seven days. The results showed that there were significant changes in the metabolic profile of plants grown with 2.5 mM of total N in the form of nitrate under water stress, resulting in leaf bases with higher relative water content and higher accumulation of K+ and Ca2+. On the other hand, the apex under this same condition presented decreased osmotic potential, lower relative water content, and greater accumulation of NH4+. Water stress also induced a significant increase in malate concentration and there was a strong tendency for nocturnal accumulation of organic acids, especially in the apical leaf portion cultivated in the highest concentration of N, suggesting that the leaves changed their photosynthesis from C3 to CAM. The higher concentration of nitrate offered previously to water restriction provided less water translocation from the leaf base to the apex, possibly due to greater lignification and/or suberization of cell walls (apoplastic pathway), decreasing the osmotic potential of the leaf apex. At the same time, water deficit may have activated the drought-responsive membrane channel (OSCA1), responsible for the increased absorption of Ca2+ at the leaf base. A greater amount of cytosolic Ca2++ may have led to an up-regulation of the CBL/CIPK protein complex, increasing the absorption of other nutrients, such as K+ through the induction of high-affinity transporters of this nutrient (HAK5). In turn, K+ may have acted as an osmolyte, helping to retain water in the leafs basal tissues. Thus, we observed in this research that the water status and metabolic profile of G. monostachia can be modulated by the absorption of nitrate, interfering in the modulation of C3 to CAM photosynthesis under water deficit